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    劉忠范院士團隊2020年代表性成果集錦!
    納米人編輯部 2021-05-19
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    納米人編輯部對2020年國內外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理,今天,我們要介紹的是中國科學院院士,發展中國家科學院院士,英國物理學會會士,英國皇家化學會會士,北京大學化學與分子工程學院劉忠范院士。

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    主要從事石墨烯等納米碳材料研究,在石墨烯、碳納米管的化學氣相沉積生長方法研究領域做出了一系列開拓性和引領性的工作,是國際著名石墨烯專家,現任“物理化學學報”主編、“科學通報”副主編。
     
    下面,我們簡要總結了劉忠范院士課題組2020年研究成果,供大家交流學習。
    1)由于相關論文數量較多,本文僅限于作為通訊作者的論文(不包括序言、短篇評述等),以online時間為準。如有遺漏,歡迎留言補充。
    2)由于學術水平有限,所選文章及其表述如有不當,敬請批評指正。
    3)由于篇幅限制,部分成果未列入編號,僅以發表截圖展示。
     
    以下篇幅分為4個方面展開:
    Part Ⅰ 儲能電池材料與器件
    Part Ⅱ 石墨烯的制備
    Part Ⅲ 石墨烯的應用
    Part Ⅳ 其他領域
     
    Part Ⅰ 儲能電池材料與器件
    1. AEM:具有高安全性和長壽命的柔性凝膠聚合物鋰離子電池
    隨著柔性電子技術的發展,柔性鋰離子電池(LIB)受到了極大的關注。幾乎所有以前文獻報道的柔性器件都具有較差的機械柔性,較低的能量密度和較差的安全性的缺點。為了應對以挑戰,北京大學的劉忠范、北京石墨烯研究所的Wei Shen和Di Wei等人展示了一種能夠完全彎折的柔性鋰離子電池,該電池使用LiCoO2作為正極,Li4Ti5O12作為負極,石墨烯薄膜作為柔性集流體。這項工作可能會為下一代高性能柔性電子產品帶來希望。
     
    本文要點:
    1)由石墨烯薄膜制成的柔性LIB在超過10萬次機械彎曲后表現出卓越的穩定性能,而沒有容量損失。同時高柔韌性的石墨烯薄膜可以彎曲數萬次而不會發生塑性變形。
    2)在劇烈彎曲條件下,活性層與石墨烯膜之間的強粘附力有效地抑制了活性層的分層。獨立的石墨烯薄膜使電池厚度減少,并且質量能量密度和功率密度均比使用金屬箔集流體提高了約1.4倍。
    3)此外,GO‐GPE表現出對液體電解質的超強吸附性,寬的電化學窗口以及出色的熱穩定性和電化學穩定性。與商業的隔膜相比,它還具有更高的離子電導率和更高的鋰離子遷移速率。
    4)柔性石墨烯電池具有超強的電化學性能,輸出電壓穩定在2.3 V,在1 C時具有143.0 mAh g-1的優異容量。即使在剪切狀態下,這種柔性凝膠聚合物電池仍可以表現出穩定和安全的電化學性能。
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     Wei Shen, et al., Highly‐Safe and Ultra‐Stable All‐Flexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications, Adv. Energy Mater. 2020
    DOI: 10.1002/aenm.201904281
    https://doi.org/10.1002/aenm.201904281
     
    2. EES:太陽光照一照,超電容性能提高!
    超級電容器是一種常見的儲能器件,具有功率密度高、循環壽命長和充放電速率快等優點。但是與其他儲能器件如電池一樣,超級電容器常常在較低的溫度下表現出較低的性能,有時甚至會無法工作。因此,研究一種妥善解決上述問題的環??沙掷m并且造價低的途徑具有十分重要的意義。
     
    石墨烯因為具有寬的光吸收范圍、低的比熱容、高的熱導率等性質而被認為是非常有潛力的光熱材料。特別地,三維石墨烯可以為光熱轉換提供足夠多的光熱接觸面積。同時,三維石墨烯的多孔自支撐結構還可以有效避免石墨烯片層間再堆疊以及給離子傳輸提供便捷通道,因而石墨烯也是非常有應用潛力的儲能器件材料。
     
    有鑒于此,北京大學劉忠范院士和北京石墨烯研究院魏迪研究員課題組基于石墨烯的光熱效應,利用太陽光使超級電容器的電容、能量密度和功率密度得到大幅提升。
     
    本文要點:
    1)在太陽光照下,由于光熱效應,超級電容器的溫度增加進而電容增大。超級電容器采用全光譜高光吸收率和高熱導率的三維多級結構石墨烯作為電極,該石墨烯在整個器件的光熱轉換過程中起著重要的關鍵作用:首先,石墨烯的特殊電子結構使得其可以吸收任何波段的光,并且所吸收的光的能量主要轉化為熱能;其次,在三維多級結構石墨烯自支撐骨架表面的石墨烯納米片拓展了入射光相互作用的長度并且降低了光的反射,因而大大促進了光的吸收。
    2)通過理論模擬分析,發現對于贗電容型超級電容器,其電容增加的主要因素為光照下溫度升高后法拉第反應速率常數的增加、電極和電解質電導率的增加、以及雙電層電容組分的增加;對于雙電層型超級電容器,其電容增加的主要因素為電解質介電常數的增加。需要注意的是,電化學動力學過程是極其復雜的而且各種參數互相關聯,不同電化學體系中對電容隨溫度而變化起作用的因素可能會有差別,因而在實際應用過程中,應對所研究的具體電化學體系進行具體分析。
    3)為了進一步驗證超級電容器光照下電容的增加是由于光熱效應所引發的,對超級電容器加熱到不同溫度時的電化學性能進行了表征。實驗發現超級電容器加熱到某個溫度時的電化學性能與對應光照下相同光熱平衡溫度時的電化學性能相似,這進一步證明了所提出的機理。另外,實驗還發現當加熱或者光照超級電容器到同一溫度的時候,超級電容器在加熱時電容的增加量,以及等效串聯電阻、離子電阻和庫倫效率的減少量都要大于光照時。這可能是因為光照時超級電容器的實際平均溫度小于加熱時:光照時超級電容器可能在沿上下表面以及沿中心邊緣都存在溫度的輕微下降。
     
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    Fang Yi, et al, Solar thermal-driven capacitance enhancement of supercapacitors, Energy Environ. Sci., 2018,11, 2016-2024
    DOI:10.1039/C8EE01244J
    https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01244j/unauth#!divAbstract
     
    3. AM:用于Li-S電池的高效V8C7-VO2雙功能支架的三維打印
    鋰硫(Li-S)電池因其成本低、能量密度高而引起了人們的極大興趣。然而,嚴重的多硫化物的穿梭效應和鋰枝晶不可控生長都極大地阻礙了Li-S電池的商業化進程。近年來,用來同時調控多硫化物行為和抑制鋰枝晶生長的合理方法得到了迅速發展。然而,高性能鋰硫電池的主要障礙仍然在于有限的雙功能材料候選材料,以及缺乏有效可定制設備的先進技術。近年來,3D打印(3DP)技術的蓬勃發展,極大地促進了儲能和生物醫學電子領域的設備創新。
     
    有鑒于此,北京大學劉忠范院士,蘇州大學孫靖宇教授報道了一種“二合一”的策略,通過3DP技術來制備V8C7-VO2異質結構支架,作為高性能Li-S電池的雙效多硫化物固定劑和鋰枝晶抑制劑。
     
    本文要點:
    1)研究人員從NH4VO3,葡萄糖和尿素前體開始,通過將簡單的退火工藝與水熱反應相結合,成功生產出V8C7–VO2納米花。所獲得的材料作為關鍵的3DP油墨配方。接下來,利用硫胺化學路線,將硫納米顆粒負載到V8C7–VO2上,形成V8C7–VO2/S。在整個基于擠壓的3DP策略中,可以以便捷,可控制和可擴展的方式精確地構建各種形狀的定制架構。
    2)基于該策略設計的V8C7-VO2極性和導電異質結構能夠提供很強的捕獲性和多硫化物的快速轉化。此外,這種具有親鋰性質的異質結構將誘導Li的均勻生長,從而有效地降低成核過電勢,抑制枝晶的形成。
    3)得益于3DP-V8C7-VO2支架的大孔體積、高電導率和暢通的離子傳輸路徑,所研制的3DP-V8C7-VO2/S電極具有優異的倍率性能(6.0 C 下的容量達到643.5 mAh g?1),良好的循環穩定性(4 C下,經過900次循環后,每循環的容量損失僅為0.061%)。令人激動的是,與兩個3DP主機集成的Li-S電池在高硫負荷下實現了高面積容量(7.36mAh cm?2,硫負荷為9.2 mg cm?2,CE超過99.7%)。此外,將3DP-V8C7-VO2/S||3DP-V8C7-VO2@Li直接用作手環電池時,可以成功為電子手環表供電,從而為可穿戴能源應用帶來了無限希望。

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    Jingsheng Cai, et al, 3D Printing of a V8C7-VO2 Bifunctional Scaffold as an Effective Polysulfide Immobilizer and Lithium Stabilizer for Li–S Batteries, Adv. Mater. 2020
    DOI: 10.1002/adma.202005967
    https://doi.org/10.1002/adma.202005967
     
    4. Nano Lett.:借助層次結構石墨烯定量分析鋰離子電池集流體的界面性能
    鋰離子電池(LIB)徹底改變了消費電子產品和電動汽車,并正在通往未來智能電網的道路。面臨的艱難的過程包括完善電極材料、電解質配方單組分水平和制造工藝的改進,使LIB的安全性和能量密度更高。然而,在這一艱難的過程中,LIB的基本結構基本保持不變,即由正極、負極、電解質、隔膜和集流體(CC)等組成。其中,集流體可機械支撐電極材料(EM)和電橋內部電化學和外部電路是LIB中必不可少的角色。集流體的候選材料應同時滿足以下標準:良好的導電性,牢固的化學和電化學穩定性,便宜且易于獲得,重量輕。根據這樣的要求標準,用于正極和負極的商業集流體幾乎分別限于鋁箔和銅箔。但是,存在固有的缺陷,這些缺陷源于介觀電極的配置。一方面,為了獲得適當的能量密度和最小化副反應,活性材料通常為微米級。另一方面,微米級活性材料與裸露的鋁箔的界面接觸有限,電極構造因此陷入困境。因此,由于粘附性差,EM易于從裸集電器上分層,并且由于有限的電通道,在集電器/EM界面處存在較大的界面電阻。由于鋁箔上存在天然的電絕緣氧化鋁層,這個問題在正極/鋁箔界面上尤為突出。界面電阻會損害LIB的功率性能(如快速充電和大功率放電)。因此,對于改善LIB,重新研究介觀電極配置(著重于集電器的界面特性)具有重要意義。
     
    近日,北京大學劉忠范和彭海琳等人通過在商業鋁箔CC上直接生長分層的石墨烯薄膜,建立了CC和電極材料之間的模型界面,并對其中的界面性質進行了系統的定量研究。結果表明界面電阻占主導地位,即比電極材料高兩個數量級,可以通過分層的石墨烯夾層消除界面電阻。CC上的陰極具有消除的界面電阻,可以提供大大提高的功率密度輸出。工作量化了影響電池性能的介觀因素,并提供了提高LIB性能的實用指南。
     
    本文要點:
    1)建立了一個模型系統來定量研究集流體的界面特性,集流體和電極材料之間的界面電阻實際上支配了整個電極電阻。直接在Al集流體上生長的分層石墨烯可以用作集電器和電極材料之間的強大中間層,實際上可以極好地消除界面電阻。電化學方面,它相應地可以提升能量密度和功率密度的輸出。同時,可以減少無源集流體的占地面積,從而提高封裝的LIB的可用能量密度用于新興的超厚電極設計。
    2)量化了影響電池性能的介觀因素,并提供了提高LIB性能的實用指南。
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    Mingzhan Wang et al,. Quantitative Analyses of the Interfacial Properties of Current Collector at the Mesoscopic Level in Lithium Ion Battery by Using Hierarchical Graphene, Nano Lett. 2020
    DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00348
    https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00348
     
    5. AM:直接生長垂直石墨烯地毯作為穩定鋅金屬負極的Janus隔膜
    近年來,具有超高理論比容量(5855 mAh cm-3)的鋅金屬負極已經引起了人們極大的興趣。此外,鋅具有很高的氧化還原電位,這使得它能夠在溫和的水溶液中工作,離子電導率比在有機電解質中高出幾個數量級。同時,鋅的其他優點還包括不可燃性、低成本和高安全性。然而,其電化學穩定性差、循環壽命不理想是制約其規?;玫闹饕款i。這主要源于負極一側的枝晶生長、表面鈍化和副產物的形成。
     
    近日,蘇州大學孫靖宇教授、北京大學劉忠范院士報道了通過在商用玻璃纖維隔膜一側直接生長垂直石墨烯(VG)地毯,在整個化學氣相沉積過程中開發了一種Janus隔膜。
     
    本文要點:
    1)通過簡單的空氣等離子體處理,實現了氧和氮雜原子在裸石墨烯上的成功結合。由此得到的三維VG支架具有較大的比表面積和多孔結構,可以看作是平面鋅負極的延續。反過來,Janus隔膜獲得了均勻的電場分布,降低了負極/電解液界面的局部電流密度,并利用良好的親鋅特性建立了均勻的鋅離子通量。
    2)這種隔膜工程為鋅離子混合電容器提供了令人印象深刻的倍率和循環性能(在5 A g-1的5000次循環中達到93%),同時為V2O5/Zn電池提供了出色的能量密度(182 Wh kg-1)。
     
    該策略具有很大的可擴展性和成本效益,可作為保護可充電電池中主流金屬負極(Zn、Na和K)的通用途徑。
     
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    Chao Li, Directly Grown Vertical Graphene Carpets as Janus Separators toward Stabilized Zn Metal Anodes, Adv. Mater. 2020
    DOI: 10.1002/adma.202003425
    https://doi.org/10.1002/adma.202003425
     
    Part Ⅱ 石墨烯的制備
    1. Nano Research:具有晶圓級均勻性的無轉移石墨烯的批量合成
    絕緣體上無轉移石墨烯的可擴展合成,為下一代電子和光電子學的研究提供了巨大的機會。然而,合理設計合成方案以獲得直接生長的晶圓級石墨烯規模生產仍然是一項艱巨的挑戰。
     
    有鑒于此,北京大學,北京石墨烯研究所劉忠范院士,蘇州大學孫靖宇教授報道了通過在石英上直接進行化學氣相沉積(CVD),探索了具有晶圓級均勻性的大面積石墨烯的批量合成方法。
     
    本文要點:
    1)這種可控的CVD方法可以批量合成30塊4英寸的石墨烯晶片,同時晶片具有較低的光學和電氣特性波動。
    2)計算流體動力學模擬揭示了石墨烯均勻增長的機理,即熱場和密閉流場在實現批料均勻性方面起著主導作用。
    3)所得的晶圓級石墨烯能夠直接用作光學元件中的關鍵組件。同時方法適用于其他類型的絕緣基板(例如,藍寶石,SiO2/Si,Si3N4),為以經濟方式直接制造石墨烯晶圓開辟了新的途徑。
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    Bei Jiang., et al. Batch synthesis of transfer-free graphene withwafer-scale uniformity. Nano Res. (2020).
    DOI:10.1007/s12274-020-2771-3
    https://doi.org/10.1007/s12274-020-2771-3
     
    2. Angew:冷壁化學氣相沉積方法用于石墨烯的超凈生長
    化學氣相沉積(CVD)以其良好的可控性和均勻性成為工業化生產石墨烯薄膜的一種極具吸引力的方法。然而,在傳統的熱壁CVD系統中,CVD制備的石墨烯薄膜在高溫生長過程中由于氣相反應而受到表面污染,污染物主要是無定形碳。有鑒于此,北京大學彭海琳教授,劉忠范院士,曼徹斯特大學李林教授報道了冷壁CVD系統能夠抑制氣相反應,實現了石墨烯薄膜的可控超潔凈生長。
     
    本文要點:
    1)實驗結果表明,冷壁CVD(CW-CVD)具有獨特的熱分布,是大面積生長超清潔石墨烯薄膜的理想系統,同時氣相溫度明顯降低,顯著抑制了氣相反應。2)所制備的超清潔石墨烯薄膜具有良好的光學和電學性能,是一種理想的透明電極和外延生長襯底材料。
     
    本研究成果為高質量石墨烯薄膜的工業化生產提供了一種新的途徑,對未來石墨烯CVD生長的研究具有指導意義。
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    Kaicheng Jia, et al, Superclean growth of graphene using cold-wall chemical vapor deposition approach, Angew. Chem. Int. Ed., 2020
    10.1002/anie.202005406
    https://doi.org/10.1002/anie.202005406
     
    3. Nano Lett.:機械性能大幅度提高的超扁平石墨烯
    由于Cu表面粗糙,可以釋放界面熱應力或石墨烯彎曲能,因此通過化學氣相沉積法在Cu表面生長的石墨烯比較粗糙。而粗糙度無法避免的會降低石墨烯的導電性和機械強度。近日,北京大學劉忠范院士,彭海琳教授報道了以相鄰的Cu(111)面和平坦的Cu(111)面為模型襯底,研究了原始表面形貌對石墨烯覆蓋的Cu表面變形的影響。
     
    本文要點:
    1)研究發現,在Cu(111)鄰近表面,如具有定向臺階的高溫退火Cu(111)箔,Cu在石墨烯下面的快速擴散會驅動臺階的分面和SB的形成,從而釋放了石墨烯彎曲能。相反,在Cu(111)光滑表面上,如在藍寶石上制造的Cu(111)膜,錯切角很小,石墨烯的生長只會引起原子臺階的富集,從而得到表面粗糙度為0.2 nm的超扁平石墨烯。
    2)在Cu(111)薄膜上生長的原子平坦的石墨烯在轉移到靶襯底后保持了超平坦的特征,避免了SB衍生的納米顆粒。與波紋石墨烯相比,超扁平石墨烯的機械性能得到大大提高。
     
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    Bing Deng, et al, Growth of Ultra-Flat Graphene with Greatly Enhanced Mechanical Properties, Nano Lett., 2020
    DOI:10.1021/acs.nanolett.0c02785
    https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02785
     
    Part Ⅲ 石墨烯的應用
    1. ACS Nano:大規模合成具有多功能石墨烯石英纖維電極
    石英纖維是一種廣泛使用的增強材料,具有較高的拉伸強度和出色的耐熱性,如果導電,則可以應用在電磁干擾屏蔽,靜電耗散和應變感應等。前人已經試圖通過導電聚合物的表面涂層或金屬膜的鍍層來嘗試增加石英纖維的電導率,但是這種方法會導致犧牲撓性以及重金屬污染。
     
    有鑒于此,北京大學劉忠范院士,劉開輝研究員報道了通過強制流動化學氣相沉積(CVD)方法設計并大量生產了石墨烯石英纖維(GQF)的混合結構,該結構兼具石墨烯的優異導電性和石英纖維的優異性能。
     
    本文要點:
    1)將50m長的石英纖維束纏繞在石英管的表面上以進行石墨烯生長。通常,對于通過熱解的無金屬催化劑的石墨烯生長而言,活性炭原料的適當濃度和有效的分子碰撞對于高溫下石墨烯的成核和邊緣附著至關重要。為了加快反應速度,研究人員設計了一個狹窄的空間,通過使用另一個同軸石英管作為盤繞石英纖維束的緊套,在低壓下產生強制性的碳原料流。當將反應氣體泵入兩個石英管之間的間隙中時,活性碳物質會擴散到GQF單絲之間的狹窄空間(約200 nm)中,從而在纖維表面之間發生相對頻繁的碰撞,從而使石墨烯成核和生長。制備的GQF的較暗光學對比表明,石墨烯成功生長在石英纖維表面上。SEM圖像顯示GQF的石墨烯疇尺寸約為100 nm,與直接生長在SiO2襯底上的石墨烯的尺寸一致。XPS測試表明石英纖維上具有高純度的石墨烯涂層。
    2)研究人員合成的柔性GQF對有機溶劑蒸氣表現出高靈敏度,快速響應(小于0.5 s)和良好的耐久性(5000個循環),適合用作實時仿生氣體傳感器。此外,大量生產的GQF可以編織成米級的織物,具有可調的電導率(0.2-10 kΩ/sq的薄層電阻)和出色的電熱轉換效率(24 V時可在幾秒鐘內達到980 °C),因此極有效推動了其在工業電加熱器中的應用。
     
    這種混合的GQF材料將極大地將傳統石英纖維的應用擴展到具有極大吸引力的多功能領域中。

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    Guang Cui, et al, Massive Growth of Graphene Quartz Fiber as a Multifunctional Electrode, ACS Nano, 2020
    DOI: 10.1021/acsnano.0c01298
    https://doi.org/10.1021/acsnano.0c01298
     
    2. ACS Nano:高導電性氮摻雜垂直取向石墨烯用于多功能電極相關應用
    將垂直取向的石墨烯(VG)直接生長在價格低廉、易獲得的鈉鈣玻璃上,可以推動其在透明電極和能源相關領域的應用。然而,在無催化絕緣襯底上低溫(600 ℃)沉積的石墨烯通常存在缺陷密度高、結晶質量差、導電性差等問題。
     
    有鑒于此,為了解決這個問題,北京大學劉忠范院士,張艷鋒研究員報道了采用射頻等離子體增強化學氣相沉積(rf-PECVD)工藝,成功在高硼硅酸鹽玻璃上制備了無金屬催化的N摻雜VG薄膜。
     
    本文要點:
    1)由于其相對較高的軟化點(850 °C),采用高硼硅酸鹽玻璃作為生長模板,可以在高達800°C的溫度下生長VG薄膜,同時保持玻璃的初始形貌。
    2)通過引入乙腈(CAN)作為氮源,將開發一種N摻雜的RF-PECVD工藝,以實現三個目標:a)在現有工藝的基礎上,將生長溫度提高200℃,高硼硅酸鹽玻璃的石墨烯結晶質量有望得到明顯改善;b)通過優化氮源的含量,有望在石墨烯晶格中引入以石墨化氮為主的摻雜,大大提高石墨烯的導電性;c)在低壓PECVD過程中,活性氮/碳物種的傳質速率加快,分布均勻,保證了VG薄膜的大面積均勻合成。
    3)結果顯示,在高硼硅酸鹽玻璃上生長的氮摻雜(N-摻雜)VG薄膜的方阻可降至2.3 kΩ·sq-1,透過率為88%,不到甲烷前驅體基PECVD獲得的產物的一半。       
     
    值得注意的是,這種合成路線實現了30英寸尺寸的均勻氮摻雜石墨烯玻璃,從而促進了其作為高性能可切換窗口優良電極的應用。此外,這種N摻雜的VG薄膜也被用作電催化析氫反應的高效電催化劑。
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    Lingzhi Cui, et al, Highly Conductive Nitrogen-Doped Vertically Oriented Graphene toward Versatile Electrode-Related Applications, ACS Nano, 2020
    DOI: 10.1021/acsnano.0c05662
    https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c05662
     
    Part Ⅳ 其他領域
    1. AM:簡便方法制備具有高指數晶面的大單晶銅箔
    高指數金屬面中金屬原子豐富且復雜的排列具有了特殊的物理和化學性質,引起了催化和表面化學領域的廣泛研究興趣。但是,以可控且經濟高效的方式制備大面積高指數單晶仍然是一個挑戰。近日,北京大學劉忠范院士、彭海琳,中科院力學研究所Yujie Wei,曼徹斯特大學Li Lin等依靠應變工程異常晶粒生長技術,將市售的分米大小的多晶銅箔全部成功轉變為具有一系列高指數晶面的單晶。
     
    本文要點:
    1)作者發現,在退火過程中,在銅箔上引入適當的熱接觸應力會導致高指數晶種的形成,且其主要由銅箔的熱應變主導,而不是由表面能驅動的(111)面。
    2)此外,通過設計靜態溫度梯度,可使所形成的高指數晶種能夠在整個銅箔中擴展。
    3)該方法得到的高指數銅箔可以用作生產高指數單晶銅基合金的模板。
     
    該工作為2D材料的外延生長以及需要高指數金屬箔及其合金的獨特表面結構的應用提供了誘人的材料基礎。
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    Yanglizhi Li, et al. Large Single‐Crystal Cu Foils with High‐Index Facets by Strain‐Engineered Anomalous Grain Growth. Adv. Mater., 2020
    DOI: 10.1002/adma.202002034
    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002034
     
    2. Nat. Nanotechnol.:二維材料助力超高非線性光纖
    非線性光纖在日常生活中被廣泛應用,譬如光頻率轉換,超快激光和光通信等等領域。目前,非線性的實現,主要通過兩種方式:
    1)將非線性材料注入纖維;
    2)制造微結構化纖維。
    然而,這兩種策略都存在光學非線性低或設計靈活性差的問題。
     
    有鑒于此,中科院物理所白雪冬研究員以及北京大學劉忠范院士、劉開輝教授等人報道了一種兩步化學氣相沉積法,實現了高度非線性的二維材料MoS2在SiO2光纖內壁的直接生長。
     
    本文要點:
    1)研究人員預先沉積了固體前體以確保均質的原料,然后在整個纖維壁上實現均勻的MoS2生長。與單層MoS2/SiO2相比,所制成的25厘米長的光纖的二次諧波和三次諧波的產生都可以提高約300倍。在很寬的頻率范圍內,傳播損耗保持在?0.1 dB cm-1。
    2)此外,通過將嵌入二維材料的光纖作為可飽和吸收體進行集成,研究人員演示了一種全光纖鎖模激光器(輸出功率約為6 mW,脈沖寬度約為500 fs,重復頻率約為41 MHz)。
     
    總之,這項研究提供了一種新型的非線性光纖的實現方法,初步驗證也適用于其他過渡金屬二硫屬化物,這種嵌入式光纖有望拓展應用于多種全光纖非線性光學和光電應用。
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    YonggangZuo et al. Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahighnonlinearity. Nature Nanotechnology 2020.
    DOI:10.1038/s41565-020-0770-x
    https://www.nature.com/articles/s41565-020-0770-x

     


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